Myron G. Best. Igneous and metamorphic 2003 Blackwell Science
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ix
CHAPTER 5
CRYSTAL-MELT EQUILIBRIA IN MAGMATIC SYSTEMS
5.1 PHASE DIAGRAMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.1.1 Phase Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.2 MELTING OF A PURE MINERAL
AND POLYMORPHISM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.2.1 Volatile-Free Equilibria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.2.2 Melting of a Pure Mineral in the Presence of Volatiles . . . . . . . . . 89
5.3 PHASE RELATIONS IN BINARY SYSTEMS . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3.1 Basic Concepts: CaMgSi
2
O
6
(Di)-CaAl
2
Si
2
O
8
(An)
System at P 1 atm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3.2 Mg
2
SiO
4
-SiO
2
System at 1 atm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.4 CRYSTAL-MELT EQUILIBRIA IN REAL
BASALT MAGMAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.4.1 Makaopuhi Basalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.4.2 Basalt Magmas at High Pressures and High
Water Concentrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.5 FELDSPAR-MELT EQUILIBRIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.5.1 KAlSi
3
O
8
(Kf)-CaAl
2
Si
2
O
8
(An) Binary System: Limited
Solid Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.5.2 NaAlSi
3
O
8
(Ab)-CaAl
2
Si
2
O
8
(An) Binary Plagioclase
System: Complete Solid Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.5.3 NaAlSi
3
O
8
(Ab)-KAlSi
3
O
8
(Kf ) Binary Alkali
Feldspar System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.5.4 KAlSi
3
O
8
(Kf)-NaAlSi
3
O
8
(Ab)-CaAl
2
Si
2
O
8
(An)
Ternary Feldspar System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.5.5 KAlSi
3
O
8
(Kf)-NaAlSi
3
O
8
(Ab)-SiO
2
(silica)-H
2
O:
The Granite System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.6 CRYSTAL-MELT EQUILIBRIA INVOLVING ANHYDROUS
MAFIC MINERALS: OLIVINE AND PYROXENE . . . . . . . . . . 112
5.7 CRYSTAL-MELT EQUILIBRIA IN HYDROUS
MAGMA SYSTEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.7.1 Equilibria in the Granodiorite-Water System . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.7.2 Equilibria Involving Melt and Micas and Amphiboles . . . . . . . . 114
5.8 GEOTHERMOMETERS AND GEOBAROMETERS . . . . . . . 117
5.8.1 Assessing States of Equilibrium in Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.9 A BRIEF COMMENT REGARDING SUBSOLIDUS
REACTIONS IN MAGMATIC ROCKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
CHAPTER 6
CHEMICAL DYNAMICS OF MELTS AND CRYSTALS
6.1 VISCOSITY OF MELTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.2 CHEMICAL DIFFUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.2.1 Types of Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.2.2 Theory and Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.2.3 Factors Governing Diffusivities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.2.4 Average Diffusion Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.2.5 Soret Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.3 DIFFUSION OF HEAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.3.1 The Role of Body Shape on Conductive Cooling . . . . . . . . . . . . . 131
6.4 INTERFACIAL ENERGY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.5 CRYSTALLIZATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.5.1 Why Is It Important to Study Nucleation and Crystallization? . . . . 133
6.5.2 Nucleation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.5.3 Crystal Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.5.4 Crystal Size in Magmatic Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.6 SECONDARY OVERPRINTING PROCESSES MODIFYING PRI-
MARY CRYSTAL SIZE AND SHAPE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.6.1 Crystal Dissolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.6.2 Textural Equilibration: Grain Boundary Modification . . . . . . . . . 140
6.7 VESICULATION AND FRAGMENTATION OF MAGMA . . 142
6.7.1 Nucleation and Growth of Bubbles—Vesiculation . . . . . . . . . . . 142
6.7.2 Melt Fragmentation and Explosive Volcanism . . . . . . . . . . . . . . . 145
CHAPTER 7
KINETIC PATHS AND FABRIC OF MAGMATIC ROCKS
7.1 FABRICS RELATED TO CRYSTALLIZATION PATH: CRYS-
TALLINITY AND GRAIN SIZE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.1.1 Glassy Texture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.1.2 Aphanitic Texture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
7.1.3 Phaneritic Texture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.1.4 Porphyritic Texture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.1.5 Poikilitic and Ophitic Textures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.2 FABRICS RELATED TO CRYSTALLIZATION PATH:
GRAIN SHAPE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.3 FABRICS RELATED TO CRYSTALLIZATION PATH: INHOMO-
GENEOUS GRAINS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.3.1 Zoned Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.3.2 Reaction Rims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.3.3 Subsolidus Decomposition and Exsolution in
Unstable Minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.4 FABRIC RELATED TO TEXTURAL EQUILIBRATION: SEC-
ONDARY GRAIN-BOUNDARY MODIFICATION . . . . . . . . . 162
7.5 A WORD OF CAUTION ON THE INTERPRETATION
OF CRYSTALLINE TEXTURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.5.1 Magmatic Rock Texture and Order of Crystallization . . . . . . . . . . 163
7.6 FABRICS RELATED TO NONEXPLOSIVE EXSOLUTION
OF VOLATILE FLUIDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.7 VOLCANICLASTIC FABRICS RELATED TO FRAGMENTA-
TION OF MAGMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.7.1 Pyroclastic Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.7.2 Autoclastic Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.8 FABRICS RELATED TO CONSOLIDATION OF VOLCANI-
CLASTS INTO SOLID ROCK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.9 ANISOTROPIC FABRICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.9.1 Descriptive Geometric Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.9.2 Origin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
7.10 INCLUSIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
x
xi
CHAPTER 8
PHYSICAL AND THERMAL DYNAMICS OF BODIES OF MAGMA
8.1 STRESS AND DEFORMATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
8.1.1 Concepts of Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
8.1.2 Deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.1.3 Ideal Response to Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
8.2 RHEOLOGY OF ROCKS AND MAGMAS . . . . . . . . . . . . . . . 186
8.2.1 Rheology of Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
8.2.2 Non-Newtonian Rheology of Magma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
8.2.3 Deformation and Flow of Magma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
8.3 DENSITY OF MAGMA AND BUOYANCY . . . . . . . . . . . . . . 194
8.3.1 Density Determinations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
8.3.2 Densities of Minerals and Melts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
8.3.3 Buoyancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
8.4 CONDUCTIVE HEAT TRANSFER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8.4.1 Conductive Cooling Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
8.5 ADVECTIVE HEAT TRANSFER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8.6 MAGMA CONVECTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.6.1 Thermal Convection in a Completely Molten Body of Melt . . . . 201
8.6.2 Thermochemical Convection in Crystallizing Magmas . . . . . . . . 203
8.6.3 Replenishment in Evolving Magma Chambers . . . . . . . . . . . . . . 205
CHAPTER 9
MAGMA ASCENT AND EMPLACEMENT:
FIELD RELATIONS OF INTRUSIONS
9.1 MOVEMENT OF MAGMA IN THE EARTH . . . . . . . . . . . . . 210
9.1.1 Neutral Buoyancy and the Crustal Density Filter . . . . . . . . . . . . 210
9.1.2 Magma Overpressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
9.1.3 Mechanisms of Magma Ascent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
9.2 SHEET INTRUSIONS (DIKES) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
9.2.1 Description and Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
9.2.2 Some Thermomechanical Concepts Pertaining to
Emplacement of Sheet Intrusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
9.2.3 Geometry and Orientation of Sheet Intrusions . . . . . . . . . . . . . . 218
9.2.4 Basalt Diking in Extensional Regimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
9.3 DIAPIRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
9.4 MAGMA EMPLACEMENT IN THE CRUST:
PROVIDING THE SPACE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
9.4.1 Some Aspects of Granitic Plutons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
9.4.2 Emplacement Processes and Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
9.4.3 The Intrusion–Host Rock Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
CHAPTER 10
MAGMA EXTRUSION: FIELD RELATIONS OF VOLCANIC
ROCK BODIES
10.1 OVERVIEW OF EXTRUSION: CONTROLS
AND FACTORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
10.1.1 Moving Magma to the Surface: What Allows Extrusion . . . . . . . 242
10.1.2 Two Types of Extrusions: Explosive and Effusive . . . . . . . . . . . . 242
10.2 EFFUSIONS OF BASALTIC LAVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
10.2.1 Types of Basaltic Lava Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
10.2.2 Columnar Joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
10.2.3 Subaerial Lava Accumulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
10.2.4 Submarine Basaltic Accumulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
10.3 EFFUSIONS OF SILICIC LAVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
10.3.1 Morphological Characteristics and Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
10.3.2 Internal Fabric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
10.4 EXPLOSIVE ERUPTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
10.4.1 Explosive Mechanisms: Production of Pyroclasts . . . . . . . . . . . . 259
10.4.2 Pyroclasts in Volcanic Plumes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
10.4.3 Pyroclast Transport and Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
10.4.4 Explosive Style . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
10.4.5 Pyroclastic Flows and Deposits: Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
10.4.6 Block-and-Ash Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
10.4.7 Ignimbrite-Forming Ash Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
10.4.8 Calderas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
10.4.9 Subaqueous Pyroclastic Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
10.5 OTHER VOLCANICLASTIC DEPOSITS . . . . . . . . . . . . . . . . 278
10.5.1 Epiclastic Processes and Deposits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
10.5.2 Volcanic Debris Flows: Lahars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
10.5.3 Composite Volcanoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
CHAPTER 11
GENERATION OF MAGMA
11.1 MELTING OF SOLID ROCK: CHANGES IN P, T,
AND X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
11.1.1 Temperature Increase, T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
11.1.2 Decompression, P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
11.1.3 Changes in Water Concentration, X
water
. . . . . . . . . . . . . . . . 287
11.2 MANTLE SOURCE ROCK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
11.2.1 Mantle-Derived Inclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
11.2.2 Metasomatized and Enriched Mantle Rock . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
11.3 GENERATION OF MAGMA IN
MANTLE PERIDOTITE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
11.3.1 Equilibrium (Batch) Partial Melting of Lherzolite . . . . . . . . . . . . 295
11.3.2 Fractional Partial Melting of Lherzolite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
11.3.3 Factors Controlling Partial Melt Composition . . . . . . . . . . . . . . . 297
11.3.4 Modeling Partial Melting Using Trace Elements . . . . . . . . . . . . . 299
11.3.5 Characteristics of Primary Magma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
11.4 MAGMA GENERATION IN SUBARC
MANTLE WEDGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
11.4.1 Dehydration of Subducting Oceanic Crust . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
11.4.2 Magma Generation in the Mantle Wedge . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
11.4.3 Partial Melting of Subducted Basaltic Oceanic Crust: Adakite . . . . 305
11.5 GENERATION OF ALKALINE MAGMAS IN METASOMATI-
CALLY ENRICHED MANTLE PERIDOTITE . . . . . . . . . . . . . 306
xii
xiii
11.5.1 The Metasomatized Mantle Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
11.6 MAGMA GENERATION IN THE
CONTINENTAL CRUST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
11.6.1 Partial Melting of Continental Source Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . 309
11.6.2 “Alphabet” Granitic Magmas: Contrasting Sources . . . . . . . . . . . 311
11.6.3 Crystalline Residues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
11.6.4 Melt Segregation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
11.6.5 Felsic Magma Generation and the Mantle Connection . . . . . . . . 313
CHAPTER 12
DIFFERENTIATION OF MAGMAS
12.1 USING VARIATION DIAGRAMS TO CHARACTERIZE
DIFFERENTIATION PROCESSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
12.2 CLOSED-SYSTEM MAGMATIC DIFFERENTIATION . . . . . 318
12.2.1 Crystal-Melt Fractionation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
12.2.2 Physical Separation of Immiscible Melts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
12.2.3 Fluid-Melt Separation: Pegmatites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
12.3 OPEN-SYSTEM DIFFERENTIATION:
HYBRID MAGMAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
12.3.1 Magma Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
12.3.2 Assimilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
12.4 DIFFERENTIATION IN BASALTIC INTRUSIONS . . . . . . . . 329
12.4.1 Palisades Sill . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
12.4.2 Layered Intrusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
12.4.3 Oceanic-Ridge Magma Chambers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
12.5 ORIGIN OF THE CALC-ALKALINE
DIFFERENTIATION TREND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
12.5.1 Tonga–Kermadec–New Zealand Arc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
12.5.2 Factors Controlling Development of the Calc-Alkaline Trend . . . 339
CHAPTER 13
MAGMATIC PETROTECTONIC ASSOCIATIONS
13.1 OCEANIC SPREADING RIDGES AND RELATED
BASALTIC ROCKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
13.1.1 Mid-Ocean Ridge Basalt (MORB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
13.1.2 Iceland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
13.1.3 Mantle Reservoirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
13.2 MANTLE PLUMES AND OCEANIC ISLAND
VOLCANIC ROCKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
13.2.1 Character of Volcanic Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
13.2.2 Hawaiian Islands: Tholeiitic and Alkaline Associations . . . . . . . . 359
13.2.3 Highly Alkaline Rocks on Other Oceanic Islands . . . . . . . . . . . . 362
13.3 PLUME HEADS AND BASALT FLOOD PLATEAU LAVAS . . 364
13.3.1 Oceanic Plateaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
13.3.2 Continental Flood Basalt Plateaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
13.3.3 Continental Breakup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
13.4 ARC MAGMATISM: OVERVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
13.5 OCEANIC ISLAND ARCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
13.5.1 Rock Associations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
13.5.2 Magma Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
13.5.3 Back-Arc Basins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
13.6 OPHIOLITE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
13.6.1 Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
13.6.2 Origin and Emplacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
13.7 CALC-ALKALINE CONTINENTAL MARGIN
MAGMATIC ARCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
13.7.1 Volcanic Arcs on Continental Margins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
13.7.2 Plutonic Arcs on Continental Margins: Granitic Batholiths . . . . . 382
13.8 GRANITES IN CONTINENT-CONTINENT
COLLISION ZONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
13.9 ANOROGENIC A-TYPE FELSIC ROCKS . . . . . . . . . . . . . . . . 387
13.9.1 Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
13.9.2 Petrogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
13.9.3 Anorogenic Ring Complexes in Nigeria and Niger . . . . . . . . . . . 390
13.10 GRANITES AND GRANITES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
13.11 CONTINENTAL RIFT ASSOCIATIONS: BIMODAL AND ALKA-
LINE ROCKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
13.11.1 Transitions from Continental Arc to Rift Associations
in Western North America . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
13.11.2 Magmatism in the East African Rift System . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
13.12 ALKALINE ORPHANS, MOSTLY IN STABLE CRATONS . . 397
13.12.1 Lamprophyres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
13.12.2 Lamproite, Orangeite, and Kimberlite Clans . . . . . . . . . . . . . . . . 398
CHAPTER 14
METAMORPHIC ROCKS AND METAMORPHISM: AN OVERVIEW
14.1 EXAMPLES OF EQUILIBRATION IN
METAMORPHIC ROCKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
14.1.1 Incipient Metamorphism: Crystallization of New Minerals and
Preservation of Relict Protolith Fabrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
14.1.2 Recrystallization under Hydrostatic Conditions: Newly Imposed
Granoblastic Fabric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
14.1.3 Recrystallization under Nonhydrostatic States of Stress:
Tectonite Fabric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
14.1.4 Crystalloblastic Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
14.1.5 Metasomatism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
14.2 THE NATURE OF METAMORPHISM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
14.2.1 The Nature of the Protolith . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
14.2.2 Types of Metamorphism Based on Metamorphic Conditions . . . 426
14.2.3 Geologic Field Settings: Metamorphic Terranes . . . . . . . . . . . . . 426
14.2.4 Metamorphic Grade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
14.2.5 Metamorphic Zones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
14.2.6 Intensive Variables and Stable Mineral Assemblages . . . . . . . . . . 436
14.2.7 Metamorphic Facies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
14.2.8 Metamorphic Facies Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
14.2.9 Metamorphic Field Gradients and P–T–t Paths . . . . . . . . . . . . . 438
xiv
xv
14.3 WHY STUDY METAMORPHIC ROCKS? METAMORPHIC
PETROLOGY AND CONTINENTAL EVOLUTION AND
TECTONICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
CHAPTER 15
PETROGRAPHY OF METAMORPHIC ROCKS:
FABRIC, COMPOSITION, AND CLASSIFICATION
15.1 METAMORPHIC FABRICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
15.1.1 Anisotropic Fabrics of Tectonites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
15.1.2 Summary List of Metamorphic Textures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
15.2 CLASSIFICATION AND DESCRIPTION OF
METAMORPHIC ROCKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
15.2.1 Metamorphic Rock Names Based on Fabric . . . . . . . . . . . . . . . . 455
15.2.2 Strongly Foliated Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
15.2.3 Weakly Foliated Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
15.2.4 Nonfoliated Mafic Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
15.2.5 Nonfoliated High-Grade Felsic Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
15.2.6 Other Nonfoliated Metamorphic Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
15.2.7 Serpentinite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
15.2.8 Metasomatic Rock Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
15.2.9 Misfits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
15.2.10 High-Strain-Rate Rocks in Fault and Shear Zones . . . . . . . . . . . . 465
15.2.11 Veins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
15.3 GRAPHICAL REPRESENTATION OF MINERAL
ASSEMBLAGES IN COMPOSITION DIAGRAMS . . . . . . . . . 466
15.3.1 Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
15.3.2 Examples of Composition Diagrams in Hypothetical
Three-Component Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
15.3.3 Compatibility Diagrams for Metamorphic Rocks . . . . . . . . . . . . 469
CHAPTER 16
METAMORPHIC MINERAL REACTIONS AND EQUILIBRIA
16.1 EQUILIBRIUM MINERAL ASSEMBLAGES . . . . . . . . . . . . . . 474
16.2 OVERVIEW OF METAMORPHIC MINERAL
REACTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
16.3 POLYMORPHIC TRANSITIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
16.3.1 The Al
2
SiO
5
System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
16.4 NET TRANSFER SOLID–SOLID REACTIONS . . . . . . . . . . . 479
16.4.1 Basic Relations in a System of Pure End-Member Phases . . . . . . 479
16.4.2 Model Reactions in the Basalt–Granulite–Eclogite Transition . . . 481
16.5 CONTINUOUS REACTIONS BETWEEN CRYSTALLINE
SOLID SOLUTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
16.5.1 Solid Solution in the Continuous Net Transfer Reaction
Plagioclase Jadeitic Clinopyroxene + Quartz . . . . . . . . . . . . . . 485
16.5.2 Continuous Exchange Reactions in Fe–Mg Solid Solutions . . . . . 485
16.6 SOLID–FLUID MINERAL REACTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
16.6.1 Fluids in the Crust of the Earth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
16.6.2 Fundamental Concepts of Solid–Fluid Reactions . . . . . . . . . . . . 491
16.6.3 Equilibria with Mixed-Volatile Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
16.6.4 Local versus External Control of Fluid Composition during
Devolatilization Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
16.7 FLUID FLOW DURING METAMORPHISM OF THE
CONTINENTAL CRUST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
16.7.1 Evidence for Fluid Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
16.7.2 Mechanics of Fluid Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
16.8 METASOMATISM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
16.8.1 Ion Exchange Reactions in Open Metasomatic Systems . . . . . . . 504
16.8.2 The Thompson Model of Metasomatic Zoning and Local
Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
16.8.3 Low-Variance Assemblages in Metasomatic Rocks . . . . . . . . . . . 506
16.8.4 Frames of Reference and the Isocon Diagram . . . . . . . . . . . . . . . 506
16.9 REDOX MINERAL EQUILIBRIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
16.10 KINETICS AND MINERAL REACTIONS: WHAT
ACTUALLY HAPPENS IN METAMORPHIC ROCKS . . . . . . 509
16.10.1 Role of Fluids in the Mechanism of Metamorphic Reactions . . . . 509
16.11 PUTTING MINERAL EQUILIBRIA TO WORK:
BROADER PETROLOGIC IMPLICATIONS . . . . . . . . . . . . . . 511
16.11.1 Isograds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
16.11.2 Evaluation of Intensive Variables during Metamorphism . . . . . . 513
16.11.3 Mineral Thermobarometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
CHAPTER 17
EVOLUTION OF IMPOSED METAMORPHIC FABRICS:
PROCESSES AND KINETICS
17.1 SOLID-STATE CRYSTALLIZATION UNDER STATIC
CONDITIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
17.1.1 Nucleation and Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
17.1.2 Equilibration of Grain Size and Shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
17.1.3 Intragrain Textural Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526
17.2 DUCTILE FLOW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
17.2.1 Diffusive Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
17.2.2 Intracrystalline Plastic Deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532
17.2.3 Crystal Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538
17.2.4 Recovery during Dislocation Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541
17.2.5 Hydrolytic Weakening of Silicates during Plastic Slip . . . . . . . . . 541
17.2.6 Power Law in Ductile Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
17.3 INTERACTIONS BETWEEN DEFORMATION,
CRYSTALLIZATION, AND FLUIDS IN TECTONITES . . . . . 543
17.3.1 Role of Fluids in Tectonite Fabric Development . . . . . . . . . . . . . 545
17.3.2 Timing of Deformation and Crystallization:
Larger Scale Implications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
17.3.3 Pre-, Syn-, and Postkinematic Fabrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
17.3.4 Polymetamorphism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549
17.3.5 Shear-Sense Indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551
17.3.6 Patterns of Deformation and Flow: Tectonic Significance of
Fabric Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
17.4 ORIGIN OF ANISOTROPIC FABRIC IN
METAMORPHIC TECTONITES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555
17.4.1 Preferred Dimensional Orientation of Mineral Grains . . . . . . . . 556
17.4.2 Preferred Orientation of Crystal Lattices in Tectonites . . . . . . . . 556
17.4.3 Cleavage, Schistosity, and Compositional Layering . . . . . . . . . . . 558
xvi
xvii
CHAPTER 18
METAMORPHISM AT CONVERGENT PLATE MARGINS:
P T t PATHS, FACIES, AND ZONES
18.1 P–T–t PATHS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
18.1.1 Thermal Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
18.1.2 Petrologic Determination of P–T–t Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566
18.2 A BRIEF ANATOMICAL OVERVIEW OF
METAMORPHISM IN OROGENS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569
18.2.1 Specific Regional Metamorphic Terranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570
18.3 INTERMEDIATE- TO LOW-P METAMORPHIC ZONES
AND FACIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576
18.3.1 Pelitic Rocks in Typical Barrovian Zones at Intermediate
Pressures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576
18.3.2 P–T–t Paths and Chronology of Barrovian Metamorphism . . . . . 582
18.3.3 Buchan Metamorphism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
18.3.4 Mineral Assemblages in Mafic Protoliths: A Brief Overview . . . . 587
18.3.5 Metabasites at Intermediate Pressures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587
18.4 OCEAN-RIDGE METAMORPHISM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589
18.4.1 Petrology of Metamorphosed Seafloor Rocks . . . . . . . . . . . . . . . 590
18.5 INTACT SLABS OF OPHIOLITE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592
18.6 NEAR-TRENCH METAMORPHIC ASSOCIATIONS . . . . . . . 594
18.6.1 The Franciscan Complex, California . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594
18.6.2 Mélange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594
18.6.3 Serpentinite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596
18.6.4 Subgreenschist Facies Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597
18.6.5 Metabasites at High Pressures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599
18.6.6 P–T–t Paths and Tectonic Evolution of High P/T Terranes . . . . 600
18.7 ULTRAHIGH-P METAMORPHIC ROCKS . . . . . . . . . . . . . . . 601
18.7.1 Coesite and Diamond: Diagnostic UHP Minerals . . . . . . . . . . . . 602
18.7.2 Dora Maira Massif in the Western Alps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603
18.7.3 Dabie–Sulu Terrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605
18.7.4 Evolution of UHP Terranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606
CHAPTER 19
PRECAMBRIAN ROCK ASSOCIATIONS
19.1 THE YOUNG EARTH—A BRIEF OVERVIEW . . . . . . . . . . . 612
19.2 ARCHEAN GRANITOID–GREENSTONE TERRANES . . . . . 613
19.2.1 General Character of Greenstone Belts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614
19.2.2 Itsaq Gneiss Complex, West Greenland: Earliest Record of
Crustal Process at 3900–3600 Ma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617
19.2.3 Kaapvaal Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 620
19.2.4 Yilgarn Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621
19.2.5 Superior Province . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622
19.3 ARCHEAN VOLCANIC ROCKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
19.3.1 Komatiite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
19.3.2 Basalts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629
19.3.3 Archean Megacrystic Anorthosite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630
19.3.4 Other Volcanic Rocks in Greenstone Belts . . . . . . . . . . . . . . . . . 632
19.4 ARCHEAN GRANITOIDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633
19.4.1 Tonalite–Trondhjemite–Granodiorite (TTG) Gneisses . . . . . . . . 633
19.4.2 High-Mg Granitoids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636
19.4.3 Granite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636
19.5 MID-PROTEROZOIC TECTONISM AND MAGMATISM . . . 636
19.5.1 Grenville Province . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636
19.5.2 Massif-Type Anorthosite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637
19.5.3 Rapakivi Granites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644
19.6 GRANULITE-FACIES TERRANES IN ARCHEAN
AND PROTEROZOIC CRATONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645
19.6.1 Mineral Assemblages and Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645
19.6.2 P–T Paths and Tectonic Evolution of
Granulite-Facies Terranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646
19.7 PRECAMBRIAN BASALTIC INTRUSIONS . . . . . . . . . . . . . . . 648
19.8 MODELS FOR THE EVOLUTION OF
THE PRECAMBRIAN CRUST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 649
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Appendix B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 661
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Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 717
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